Гарачая апрацоўка сталі супраць інструментальнай сталі для халоднай апрацоўкі: што падыходзіць менавіта мне?

У вытворчай прамысловасці выраб часта фармуецца і збіраецца з дапамогай інструментаў са сталі. Такія інструменты вар'іруюцца ад знаёмых і неспецыялізаваных, такіх як дрылі і адвёрткі, да больш спецыялізаванага абсталявання, напрыклад, штампаў для ліцця расплаўленага металу або для фарміравання такіх дэталяў, як панэлі аўтамабіляў (у машынабудаванні фарміраванне азначае каванне або штампаванне). Існуе мноства відаў інструментальнай сталі. Інструментальная сталь для рэзкі металу звычайна выбіраецца з сямейства хуткарэзных сталей (HSS), якія носяць такую ​​назву, таму што застаюцца цвёрдымі і зносаўстойлівымі да тэмпературы да 600 градусаў Цэльсія (C). HSS можа рэзаць металы з высокімі хуткасцямі ў параўнанні з інструментамі з больш звычайнай сталі, якія пачынаюць размякчаць пры тэмпературы прыблізна вышэй за 200 градусаў Цэльсія. Падобнае адрозненне існуе і паміж відамі сталей, якія выкарыстоўваюцца для ліцця або фарміравання металу. У гэтых аперацыях інжынеры кажуць пра інструментальную сталь для гарачай апрацоўкі і інструментальную сталь для халоднай апрацоўкі. Гарачаапрацоўчая інструментальная сталь выкарыстоўваецца для штампаў, якія ўтрымліваюць расплаўленыя металы, такія як алюміній і цынк, на месцы, пакуль вадкасць не зацвярдзее, або для фармавання металу пры тэмпературы вышэй за 200 градусаў Цэльсія (прыблізна), у той час як халоднаапрацоўчая інструментальная сталь выкарыстоўваецца для фармавання металу пры тэмпературы ніжэй за тую ж.

Увядзенне

У вытворчай прамысловасці тэрміны «інструмент» і «інструментальная сталь» маюць спецыяльнае тэхнічнае значэнне. Яны выкарыстоўваюцца для апісання часткі вытворчага абсталявання, якая кантактуе з прадуктам, і сталі, з якой выраблена гэтая частка, калі яна выраблена са сталі (як гэта звычайна бывае).

Інструменты, вызначаныя такім чынам, могуць выкарыстоўвацца для рэзання, ліцця або фарміравання.

Рэзка — гэта дзеянне, якое выконвае дрыль або аднаканальны інструмент на такарным станку. Гэта таксама дзеянне, якое выконвае шматканальны інструмент фрэзернага станка або пільны дыск.

Ліццё гэта дзеянне, якое ўключае ў сябе ўтрыманне расплаўленага металу або любога іншага расплаўленага матэрыялу на месцы да яго зацвярдзення.

Фарміраванне гэта дзеянне коўкі, гнутця або штампоўкі цвёрдай дэталі, у выніку якога яе форма змяняецца без страты матэрыялу.

Часам гэтыя дзеянні спалучаюцца, напрыклад, калі прэс выразае круг у лісце металу і адначасова фармуе з яго дно рондаля.

У гэтым тэхнічным ужыванні машына, якая ўтрымлівае інструмент, і матэрыялы, з якіх выраблена машына, якая ўтрымлівае інструмент, звычайна называюцца асобна ад самога інструмента.

Гісторыя інструментальных сталей

Самымі першымі інструментальнымі сталямі, верагодна, былі тыя, што выкарыстоўваліся для вырабу традыцыйных інструментаў, такіх як малаткі, кавадла, нажы і сякеры. Спачатку іх было цяжка адрозніць ад звычайнага жалеза, вырабленага самымі прымітыўнымі тэхнікамі.

Але з цягам часу традыцыйныя кавалі навучыліся змяняць уласцівасці жалеза, каб зрабіць яго больш цвёрдым для адных мэтаў і больш трывалым для іншых. Гэтыя мадыфікаваныя формы жалеза сталі першымі сапраўднымі формамі сталі.

У раннія часы вытворчасці сталі, больш за тры тысячы гадоў таму, кавалі выявілі, што, награваючы жалеза пэўнага складу, а затым апускаючы яго ў алей або ваду, яно можа стаць больш цвёрдым, чым калі б яму проста далі астыць натуральным чынам. Пад «пэўным складам» я маю на ўвазе жалеза, якое ўтрымлівае прыкладна адзін працэнт па вазе, ці каля таго, растворанага вугляроду, калі яно знаходзіцца ў гарачым стане. Раптоўная загартоўка перашкаджала б вугляроду выходзіць з раствора і ўтвараць адносна буйныя часціцы карбіду жалеза ў матрыцы адносна чыстага і мяккага жалеза. Замест гэтага працэс загартоўкі фіксаваў атамы вугляроду на месцы ў тым, што цяпер было напружанай матрыцай з жалеза і вугляроду, якая называецца мартэнсітам, які цяжэй дэфармаваць.

Вядома, у той час уся гэтая хімія была невядомая. Замест гэтага кавалі мінулага працавалі па розных эмпірычных правілах. У англійскай мове гэта дае пачатак выразу «чорнае мастацтва». Праца кавалёў была хутчэй мастацтвам, чым навукай, яна была бруднай і чорнай у фізічным плане, і, акрамя таго, ніхто сапраўды не ведаў, што робяць кавалі. Ці былі яны ў змове з дэманамі з падобнай вогненнай бездані пекла? Па ўсіх гэтых прычынах праца каваля была вядомая як «чорнае мастацтва», тэрмін, які ўжываецца да любога іншага падобнага таямнічага працэсу сёння.

Выява традыцыйнага каваля (1606 г. н. э.) з агульнадаступнага месцазнаходжання праз Wikimedia Commons

З часам мастацтва кавалёў станавілася ўсё больш складаным і ўмелым, хоць усё яшчэ заставалася мастацтвам. Кавалкі самай цвёрдай сталі размяшчаліся там, дзе быў край ляза, і спалучаліся з кавалкамі мякчэйшай, але больш трывалай сталі, каб сфармаваць асноўную частку ляза. Іншы метад пачатковай падрыхтоўкі ўключаў асаджэнне карбідных дендрытаў у адзіны блок сталі. Аднак спачатку кампазіт потым шмат разоў збівалі, награвалі і складалі, каб разбурыць патэнцыйна далікатныя прымешкі і бурбалкі газу, а таксама сфармаваць ляза з трывалым корпусам і цвёрдымі краямі. Гэтыя метады, якія па назве ўключалі японскую... мокуме-гане метад і Блізкі Усход Дамаск метад, вырабляў сталь з закручанымі ўзорамі, якія выяўлялі асноўную структуру, асабліва пры травленні. Тым не менш, навуковага разумення таго, што на самой справе адбывалася, было мала, у адрозненне ад больш інтуітыўнага і мастацкага разумення.

Японскі меч, выраблены ў тэхніцы мокуме-ганэ на фоне кальчугі. Фотаздымак «Дафанніна», 12 мая 1986 г. CC BY-SA 4.0 праз Wikimedia Commons.

У канцы 1700-х і пачатку 1800-х гадоў усё стала больш навуковым. З'яўленне сучаснай хіміі дало зразумець, што сталь таго часу была сплавам, нават кампазітам, з жалеза і іншых элементаў; што асноўнай дадаткам быў вуглярод; і што вуглярод прымаў розныя формы ў мяккай сталі, цвёрдай сталі і чыгуне (дзе канцэнтрацыя вугляроду складала каля чатырох працэнтаў па вазе).

Кантраляваным чынам павялічваючы долю вугляроду ў сталі, стала магчымым вырабляць звышцвёрдыя, хоць і некалькі далікатныя, сталі, якія добра падыходзілі для рэзкі іншых відаў сталі. Так нарадзіліся першыя інструментальныя сталі сучаснага тыпу.

Гэтыя раннія інструментальныя сталі спалучалі ў сабе пераважна мартэнсітную (загартаваную) матрыцу з дадатковымі ўключэннямі карбіду жалеза.

Аднак яны мелі недахоп: яны схільныя размякчаць пры тэмпературы вышэй за 200 градусаў Цэльсія, і гэта абмяжоўвала хуткасць іх выкарыстання для рэзкі іншых сталей.

У 1868 годзе шатландскі інжынер Роберт Мушэт, сын аднаго з першых майстроў па жалезнай апрацоўцы, які ўсвядоміў важнасць вугляроду, распрацаваў тып сталі, які заставаўся цвёрдым пры больш высокіх тэмпературах.

Вядомы як сталь Мушэ, новы сплаў утрымліваў не толькі звычайную колькасць вугляроду, але і яшчэ большую колькасць марганцу і вальфраму. Сталь Мушэ таксама мела незвычайную ўласцівасць не патрабаваць гартавання ў вадкасці. Гэта была першая сталь, якая «гартавалася на паветры»: сталь, якая гартавалася да ўзроўню, падобнага на мартэнсіт, проста астуджаючыся ад чырвонага калорый у струмені паветра.

У пачатку 1900-х гадоў уласцівасці сталі Мушэт былі яшчэ больш палепшаны амерыканскім інжынерам Фрэдэрыкам Уінслаў Тэйларам і яго калегамі. Вынік стаў вядомы як хуткарэзная сталь (HSS). HSS застаецца цвёрдай аж да 500 ці нават 600 градусаў Цэльсія: адсюль і яе назва, бо яе можна выкарыстоўваць для рэзкі іншых сталей з яшчэ большымі хуткасцямі, чым сталь Мушэт. Нараўне з жалезам і вугляродам, якія характэрныя для ўсіх тыпаў сталі, большасць сплаваў HSS працягваюць утрымліваць вялікую колькасць вальфраму, а таксама хрому, які замяніў марганец у першапачатковай фармулёўцы Мушэт.

У нашы дні цвёрдасплаўныя наканечнікі часта выкарыстоўваюцца для самых складаных задач па рэзанні металу, хоць хуткарэзныя сталі застаюцца пераважным матэрыялам для вырабу піл і спіральных свердзелаў, для якіх устаўка цвёрдасплаўных наканечнікаў звычайна непрактычная, асабліва пры меншых дыяметрах і больш дробных памерах зуб'яў.

А як наконт ліцця і фармоўкі?

Дагэтуль я апісваў удасканаленні інструментальных сталей, якія выкарыстоўваюцца для рэзкі, ад ранніх лязоў да сучасных прамысловых інструментаў з хуткарэзнай сталі. Аднак сучаснае адрозненне паміж халоднаапрацоўчай і гарачаапрацоўчай інструментальнай сталлю насамрэч тычыцца сталей, якія выкарыстоўваюцца для ліцця і фармавання.

Гарачаапрацоўчыя сталі выкарыстоўваюцца для працэсаў, дзе тэмпература інструмента перавышае 200 градусаў Цэльсія (392 градусы Фарэнгейта).

Інструментальныя сталі для халоднай апрацоўкі выкарыстоўваюцца ў працэсах, дзе тэмпература інструмента застаецца ніжэй за 200 градусаў Цэльсія.

Падзяляльная лінія ў 200 градусаў Цэльсія не з'яўляецца абсалютна дакладнай і дакладнай, улічваючы, што існуе шмат розных сплаваў з рознымі ўласцівасцямі, але гэта ўмоўная падзяляльная лінія, якая шырока згадваецца ў літаратуры.

Ва ўсіх відах інструментальнай сталі асноўнымі прычынамі разбурэння з'яўляюцца паломкі, дэфармацыя (асабліва пастаянная або «пластычная» дэфармацыя), знос паверхні і развіццё паверхневых расколін ад стомленасці, выкліканых цыклічнымі напружаннямі. Цыклічныя напружанні маюць як механічнае, так і тэрмічнае паходжанне; тэрмічныя напружанні з'яўляюцца асабліва сур'ёзнай праблемай для інструментальных сталей, якія падвяргаюцца гарачай апрацоўцы.

Інструментальныя сталі для халоднай працы

Інструментальныя сталі для халоднай апрацоўкі звычайна з'яўляюцца высокавугляродзістымі сталямі, якія звычайна ўтрымліваюць ад аднаго да паўтара працэнта вугляроду па вазе. Найбольш распаўсюджанымі тыпамі з'яўляюцца нізкалегаваныя маркі сталі, якія загартоўваюцца ў алеі, сярэднелегаваныя маркі сталі, якія загартоўваюцца ў паветры, і высокавугляродзістыя маркі сталі з высокім утрыманнем хрому.

Нізкалегаваныя маркі сталі, якія загартоўваюцца ў алеі, з'яўляюцца самымі таннымі. За выключэннем таго факту, што яны ўтрымліваюць менш прымешак, яны ў цэлым вельмі падобныя на старыя віды інструментальнай сталі, якія выкарыстоўваліся да з'яўлення сталі Мушэт.

Сярэднія маркі сплаваў, якія гартуюцца на паветры, гартуюцца з меншай дэфармацыяй, чым сталі, якія патрабуюць загартоўкі. Іх таксама можна гартаваць у больш тоўстых сячэннях, чым сталь, загартованую ў алеі, да 100 міліметраў і больш.

Найбольш зносаўстойлівымі з'яўляюцца высокавугляродзістыя высокахромавыя маркі сталі, якія загартоўваюцца альбо загартоўкай у алеі, альбо загартоўкай на паветры ў залежнасці ад іх дакладнага складу.

Інструментальныя сталі для халоднай апрацоўкі звычайна выкарыстоўваюцца ў многіх штодзённых прамысловых мэтах, у тым ліку:

• Ліццё пад ціскам пластмас
• Штампы для фармавання тонкіх металічных панэляў, такіх як выгнутыя панэлі кузава аўтамабіляў
• Такарныя патроны і цэнтры
• валкі
• Прафіляцыйныя штампы для нарэзкі разьбы і накаткі
• Працяжкі, развёрткі, метчыкі і апраўкі
• Колы і трымальнікі для апрацоўкі дроту і халодных труб
• Нажніцы, ляза і іншыя рэжучыя інструменты для выкарыстання ў выпадках, калі рэзанне кароткае і выпрацоўваецца мала цяпла.
• вымяральныя прыборы
• Высечка, чарцёж і прашыўка штампаў

Інструментальныя сталі для гарачых работ

Як і сталь Мушэт і самыя раннія хуткарэзныя сталі, інструментальныя сталі для гарачай апрацоўкі традыцыйна ўтрымлівалі вялікую колькасць вальфраму ў якасці легіруючага элемента. Аднак існуюць таксама інструментальныя сталі для гарачай апрацоўкі, у якіх асноўным легіруючым элементам з'яўляецца хром, а таксама іншыя маркі, у якіх асноўным легіруючым элементам з'яўляецца малібдэн.

Нароўні з хуткасным рэзаннем і свідраваннем металу, інструментальныя сталі для гарачай апрацоўкі звычайна выкарыстоўваюцца для:

• Ліццё металаў пад ціскам
• Экструзія
• Коўка
• Вытворчасць вырабаў са шкла

Выбар матэрыялаў для ліцця

Працэсы ліцця, для якіх выкарыстоўваецца інструментальная сталь, называюцца ліццём пад ціскам, у якім інструмент служыць штампам, надаючы канчатковаму вырабу падрабязную або адносна дакладную форму спосабамі, якія больш надзейныя і паўтаральныя, чым гэта магчыма пры ліцці ў пясчаныя формы.

Ліццё пад ціскам, верагодна, пачалося з адліўкі літар для рухомага шрыфта ў 1400-х гадах н. э. у адкрытых штампах у форме кожнай літары. У сучасным разуменні метал упырскваецца пад ціскам у форму, зробленую з двух процілеглых інструментаў, якую ён дакладна запаўняе.

Інструменты для апрацоўкі пластмас звычайна вырабляюцца са спецыяльных марак халоднаапрацоўчай сталі, вядомай як сталі тыпу P, з алюмінію або з берыліевых медных сплаваў. Перавагі медзі і алюмінію для гэтага выкарыстання ўключаюць значна больш высокую цеплаправоднасць і, адпаведна, больш хуткае і раўнамернае астуджэнне, чым у сталі.

З іншага боку, сталёвыя формы служаць даўжэй (да мільёнаў цыклаў) і лепш супрацьстаяць эрозіі ад струменяў хутка рухаючагася пластыка, асабліва калі ён утрымлівае абразіўнае кампазітнае армаванне, такое як шкловалакно. Некаторыя віды аздаблення паверхні таксама можна надзейна дасягнуць толькі са сталі.

Выбар матэрыялаў для працэсаў фармавання

Працэсы фармавання металу, для якіх выкарыстоўваецца інструментальная сталь халоднага фармавання, звычайна не прадугледжваюць вельмі высокай ступені аб'ёмнай дэфармацыі металу. Нанясенне разьбы на паверхню стрыжня шляхам вальцоўкі або ўцісканне плоскага металічнага ліста ў складаныя выгібы панэлі кузава аўтамабіля з'яўляюцца тыповымі для працэсаў халоднага фармавання ў гэтым сэнсе.

Халоднае пракаткаванне разьбы. Графіка «Tosaka», 12 кастрычніка 2009 г. CC BY 3.0 праз Wikimedia Commons.

Працэсы халоднай апрацоўкі часта паляпшаюць якасць металу за кошт пераарыентацыі крышталічнай структуры металу і працоўная загартоўка, хоць уплыў на крышталічную структуру звычайна абмяжоўваецца паверхняй і менш драматычны, чым у выпадку коўкі, пра якую я раскажу ў наступным раздзеле.

Усе больш радыкальныя працэсы апрацоўкі металу фармаваннем прадугледжваюць гарачую апрацоўку (вышэй за 200 градусаў Цэльсія). Як адзначалася, да іх адносяцца:

• Экструзія, і
• Коўка

Як мы ўжо згадвалі, выраб вырабаў са шкла з'яўляецца яшчэ адным важным прымяненнем інструментальнай сталі для гарачай апрацоўкі.

Экструзія — гэта працэс, пры якім нагрэты і размякчаны матэрыял праштурхоўваецца праз філью для ўтварэння доўгага вырабу з пастаянным папярочным сячэннем. Найбольш вядомымі прыкладамі экструдаваных вырабаў з'яўляюцца пластыкавыя і алюмініевыя профілі, якія могуць мець даволі складаную форму. Пластыкавыя профілі можна экструдаваць праз фільеры з халоднай сталі, а алюмініевыя профілі павінны экструдаваць праз фільеры з гарачай сталі.

Асаблівай катэгорыяй экструзіі з'яўляецца высадная экструзія, якая выкарыстоўваецца для фарміравання такіх вырабаў, як карпусы алюмініевых слоікаў і тубы для таблетак. Пры высаднай экструзіі матрица ўціскаецца ў пусты кавалак металу, які затым абцякае форму ў зваротным кірунку, фарміруючы банку або трубку. Сапраўды дзіўна, што гэтым метадам можна фармаваць банкі і трубкі з такімі тонкімі, але роўнымі сценкамі.

Бесшвовыя трубы таксама вырабляюцца метадам экструзіі. Цвёрдую нарыхтоўку награваюць, а затым праколваюць пасярэдзіне. Затым яе размяшчаюць на апраўцы і шляхам экструзіі надаюць канчатковы памер і таўшчыню сценкі.

Коўка — гэта працэс, пры якім кавалак гарачага металу, часта распаленага да чырвані, набывае канчатковую форму прамысловым малатком, пасля чаго выконваюцца толькі нязначныя аперацыі па апрацоўцы (рэзанні). Добрым прыкладам вырабу, які звычайна вырабляецца шляхам коўкі, з'яўляецца гаечны ключ. Малаток можа прыводзіцца ў рух механічна ў абодвух напрамках, альбо яго можна механічна падымаць і апускаць пад дзеяннем сілы цяжару («коўка ў выглядзе кроплі»).

Коўка сталёвых шын для колаў чыгуначных цягнікоў. Фота аўтара Райнер Халама, 19 чэрвеня 2010, CC BY-SA 3.0 праз Wikimedia Commons.

Коўка — гэта прамы прамысловы нашчадак старых кавальскіх тэхнік, такіх як мокуме-ганэ і дамаск. Яна мае падобны эфект, а менавіта: прыводзіць да рассейвання і закрыцця шкляных прымешак і газавых бурбалак, а таксама да разбурэння буйных крышталяў або «зерняў», якія звычайна знаходзяцца ўнутры адлітага металу — падобных да бліскавак на ацынкаванай жалезнай плоце, якія самі па сабе з'яўляюцца тыпам металічных крышталяў, — і іх замены меншымі, а ў многіх выпадках таксама дэфармуюцца ў напрамку знешніх выгібаў канчатковай формы.

Як і можна было чакаць, дробназярністая структура лепшая за буйназярністую; і дробназярністая структура, у якой зярняты таксама паўтараюць форму прадукту, яшчэ больш паляпшае механічныя ўласцівасці гатовага вырабу, што значна зніжае верагоднасць таго, што выраб расколіцца ў кутах пад вялікімі нагрузкамі, чым у адваротным выпадку.

На сайце ёсць вельмі добрая ілюстрацыя крышталяў, якія паўтараюць форму dropforging.netІстотнае падабенства з вырабамі найбольш кваліфікаваных кавалёў ранейшых часоў відавочнае, за выключэннем таго, што ў гэтым выпадку вынік — прамысловы выраб, а не меч.

Многія з самых «сур'ёзных» механічных вырабаў, вырабаў, якія вытрымліваюць вялікія нагрузкі і могуць мець сур'ёзныя або, прынамсі, вельмі непрыемныя наступствы ў выпадку іх зламання, з'яўляюцца кованымі. Акрамя гаечных ключоў, якія могуць зламацца ў кропках максімальнага напружання, каля гайкі, калі б яны былі выраблены любым іншым спосабам, да кованых вырабаў адносяцца каленчатыя валы рухавікоў і шатуны, якія злучаюць поршні з каленчатым валам, хоць самі поршні звычайна адліваюцца. (Аднак кованыя поршні выкарыстоўваюцца ў гоначных рухавіках і становяцца ўсё больш папулярнымі ў шырокім карыстанні).

Існуе два асноўныя віды коўкі: адкрытая коўка і коўка ў штампе. Адкрытая коўка прымушае метал набываць грубую форму і паляпшае яго агульную ўнутраную структуру, але ў цэлым не надае яму якой-небудзь канкрэтнай формы або малюнка зярністасці. Коўка ў штампе стварае больш выразныя формы і малюнкі зярністасці.